Dinamica-poblacional-de-bacterias-fijadoras-de-nitrogeno-de-vida-libre-en-suelo-de-dos-terrazas-aluviales-con-diferente-nivel-de-deterioro-del-suelo-en-el-Valle-de-Zapotitlan-de-las-Salinas-Puebla

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
 
 
 POSGRADO EN CIENCIAS 
 BIOLÓGICAS 
 
 FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES 
 IZTACALA 
 
 DINÁMICA POBLACIONAL DE BACTERIAS 
FIJADORAS DE NITRÓGENO DE VIDA LIBRE EN 
SUELO DE DOS TERRAZAS ALUVIALES CON 
DIFERENTE NIVEL DE DETERIORO DEL SUELO EN EL 
VALLE DE ZAPOTITLÁN DE LAS SALINAS, PUEBLA 
 
 T E S I S 
 QUE PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE 
 
 DOCTORA EN CIENCIAS 
 
 P R E S E N T A 
 
 TERESA GONZÁLEZ RUIZ 
 
 
 DIRECTOR DE TESIS: DR. SALVADOR RODRÍGUEZ ZARAGOZA 
 
MÉXICO, D. F AGOSTO, 2008
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mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, 
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
 
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Agradecimientos 
 
 
 
 
 
• Al Posgrado en Ciencias Biológicas de la Universidad Nacional Autónoma de México 
 
 
• Al CONACyT (Registro No. 172150), y a la DGEP de la UNAM por las becas recibidas 
durante el Doctorado. 
 
 
• A los miembros del Comité Tutoral 
 
 
o Dr. Salvador Rodríguez Zaragoza (director de tesis, FES Iztacala) 
o Dr. Héctor Godínez Álvarez (FES, Iztacala) 
o Dr. Ronald Ferrera Cerrato (Colegio de Postgraduados) 
 
 
 
Esta tesis fue financiada por los proyectos: 
 
 
• CONACYT-SEMARNAT 2002-C01-0790 
 
• CONACYT-DAIC 200 clave 34897-V 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Otros agradecimientos… 
 
• A los que siempre han estado y estarán. 
 
 A Cristina y Lola. En estricto orden alfabético. Lo siento mucho, no pueden estar 
exactamente en el mismo lugar en este papel, pero sí en mi corazoncito… Gracias porque a 
pesar de que no están de acuerdo en muchas de mis decisiones de vida, y a que tampoco las 
han entendido, han hecho lo posible por respetarlas. Gracias porque sólo me basta llamarlas 
para saber que estarán conmigo para apoyarme, criticarme, darme de comer o brindarme 
posada. Gracias por todo. 
 
 A mis padres, DOÑA CUCA Y DON DELFINO, así con mayúsculas, porque así son ellos, 
unos gigantes. 
 
• A los que he conocido es esta aventura que ha sido mi vida: 
 
 Patricia, gracias porque a pesar de la distancia geográfica, nunca de cariño, nos unen 
muchas horas de regaños y conversaciones que si bien no han resuelto el mundo (al menos no 
el nuestro), nos han ayudado a hacerlo más llevadero. Te acuerdas todas las veces que me 
decías “como puedes trabajar con algo que ni se ve”, y te referías a las bacterias (claro, 
siempre las comparaste con tus tortugas). Pero ya ves, ahora me están dando una gran 
satisfacción. Gracias por todo, todo, todo lo que hemos vivido juntas. 
 Araceli, gracias por mostrarme la realidad de combinar dos aspectos tan diferentes de la 
vida. 
 Martha, gracias por hacerme participe de tu visión resistente, civil y pacífica de la vida, 
que aunque en algunas (¿muchas?) ocasiones no hemos estado de acuerdo, con el tiempo y el 
trato cotidiano, aprendimos a tolerarnos, aceptarnos y querernos tal como somos. p.d. en la 
tesis es indispensable el recuento de VOTO x VOTO. 
 Elizabeth, acuérdate que “la claridad de la duda puede sacarte de la oscuridad”. Sigo sin 
saber que significa, pero el ponerlo aquí es mi manera de decirte “gracias” por todo el apoyo 
y cariño que siempre me has mostrado. 
 Luis, mi cuñis. Te quiero mucho amiguito. 
 Toño, que decirte, sólo que TQM. 
 
• A los que reencontré ( y los que conocí en este reencuentro): 
 
 César, gracias por todos los permisos y por el café vespertino. Gracias por tu confianza 
laboral, ya que sin haber trabajado juntos dejaste en mis manos un enorme paquete (¡…de 
banderitas de colores!). Pero sobre todas las cosas, gracias por tu confianza personal. Este 
reencuentro ha sido muy agradable para mí y sólo espero que algún día se te olvide el 
descontón de la salida de Geología. Y acuérdate, ¡eres Doctor! 
 Miguel. Gracias por tu ayuda en los mapas, y por las muchas conversaciones en las horas 
de comida o de café y fuera de ellas. Y por supuesto por tu confianza en muchas de esas 
conversaciones. 
 Vero, gracias por la oportunidad de conocerte y por tus muestras de confianza a pesar del 
corto tiempo que nos hemos tratado. Gracias por tu apoyo y complicidad. 
 Dr. Arturo Flores. Por la oportunidad de laborar con él. Esto me ha permito conocer otro 
ámbito de trabajo y revalorar el que ya conocía. 
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• A los que aparecieron en este proceso: 
 
 Anita Bores. Nos faltaban horas para platicar y platicar y platicar y platicar en los pasillos 
de la UBIPRO o en los laboratorios. Mil gracias por tu apoyo y múltiples palabras de aliento y 
por prestar tus oídos a mis quejas, planes e ilusiones. 
 Ernestina. Ya anímate a hacer el doctorado, ¡no es tan difícil!. 
 A mi gran porra oficial del laboratorio de Microbiología. Por favor créanme cuando les 
digo que ustedes no forman parte de ese laboratorio, ustedes SON ese laboratorio. Ustedes le 
han dado vida y calor a ese lugar. Le inyectaron dinamismo y alegría, cada uno a su manera. 
Laura, Sandra, Candis, y más recientemente Angélica y Miguel. Y por supuesto al maestro 
Ramón. 
 Laura, el balón sigue rodando y estoy segura que sabrás vencer todas las porterías 
que la vida te ponga enfrente. Cuando necesites que alguien te dé consejos que no vayas a 
seguir pero que de todas maneras quieras escuchar, por favor avísame. Siempre habrá tiempo 
para ello. Gracias por toda tu confianza, gracias por los discos de LOST, gracias por todos los 
artículos buscados, gracias por tus pláticas, gracias por las crónicas del fútbol y de las 
competencias. Gracias por ser tan tan tan…tú. Esas cosas me hacen sentirme (aún) parte de 
ese equipo que ustedes han formado. 
 Sandra, esa particular forma que tienes de vivir la vida. Eres la mujer dark más 
fresa que conozco. Y esa combinación que has logrado es simplemente fabulosa. Ahora que yo 
ya terminé sigues tú en la lista, así que ni modo, hay que hacerlo. Y lo harás muy bien. 
Nunca, nunca, nunca, dudes de tu capacidad. 
 Candis, mil gracias por todas tu palabras de apoyo y por todas las veces que me 
dijiste ¡ya termina! Gracias por tu confianza personal. Eso es invaluable. 
 Angélica, ¡regresaste a tu origen académico! Estoy segura que esta nueva 
aventura que has decidido comenzar, será sumamente exitosa. ¿Te acuerdas cuando nos 
mudamos de laboratorio? Te toco que yo aprendiera muchas cosas contigo, y a pesar de ello, 
ahora estás de nuevo en él, y eso me da muchísimo gusto. 
 Miguel, aunque realmente he estado muy poco tiempo contigo, gracias por 
permitirme preguntar y por satisfacer mi curiosidad sobre cómo van las cosas. 
 Maestro Ramón. Gracias por todas tus pláticas y por los concejos. Ojala que las 
cosas buenas de las que tanto hablamos puedan concretarse. 
 
• A los que me ayudaron en este proceso de formación. 
 
 Al Dr. Salvador Rodríguez Zaragoza, por la oportunidad de haber hecho la tesis con lo que 
a mi me gusta. Por su confianza en la toma de decisiones sobre la propia tesis y por todo su 
apoyo conceptual y logístico. Pero sobre todo por creer en mi capacidad académica para hacerme 
cargo de situaciones ajenas a la tesis. 
 
 Al Biól Abraham Lozada Rojas, que al realizar su tesis de licenciaturame ayudo 
enormemente al trabajo de campo y a los cultivos que permitieron realizar esta tesis. Sin si ayuda 
quizá todavía estaría sembrando… 
 
 Al Dr. Héctor Godínez Álvarez y Ronald Ferrera Cerrato, que como miembros del Comité 
Tutoral, me hicieron muchos comentarios que ayudaron a concluir satisfactoriamente este 
proceso. 
 
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 De manera particular al Dr. Héctor Godínez Álvarez por las revisiones y críticas a la 
publicación que surgió de este trabajo. 
 
 Al jurado revisor: Dras. Pilar Ortega y Mayra Gavito y Drs. Julio Campo, Salvador 
Rodríguez, Ronald Ferrera, Gustavo Montejano y Héctor Godínez. Las observaciones y críticas 
realizadas nutrieron de manera significativa este trabajo y me han ayudado integrar y valorar de 
mejor manera los resultados obtenidos. Espero haber captado la esencia de sus comentarios. 
 
 A las instituciones académicas públicas en las que me he formado. La UNAM fue el inicio 
en sentido estricto. En ella hice el bachillerato y la licenciatura. Luego me pase al Poli a la 
Maestría, pero regrese a la UNAM en donde ahora concluyó este proceso. Gracias por permitirme 
llegar hasta aquí. Sin la educación pública yo no hubiera tenido la posibilidad de llegar hasta 
aquí. Gracias por ser un mosaico de pensamientos. De ustedes como instituciones, he tomado 
cosas buenas y supongo que también malas (sinceramente espero que sean las menos). Gracias 
por todas las personas que conocí en sus instalaciones y que han estado conmigo en un algún 
tramo de mi vida. Gracias porque muchas de ellas continúan conmigo. 
 
 
• A todos los que cuyo nombre no se encuentra escrito aquí, ya sea por un imperdonable 
olvido o por otras circunstancias. Gracias por todos sus regaños, por sus críticas, por sus palabras 
de aliento y por sus abrazos. 
 
 
A todos, gracias eternas. 
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You can't always get what you want 
But if you try sometimes you just might find 
You get what you need… 
(Jagger y Richards. En Let it bleed, 1969). 
 
 
 
 
What are you doing the rest of your life? 
(M. Legrand. En: The happy ending, 1969). 
 
 
De la 
ilusión 
a la 
erosión 
no hay 
más que 
medio 
siglo. 
(Efraín Huerta. 
En: 50 Poemínimos, 1978) 
 
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ÍNDICE 
 
 
 
Resumen 
 
i 
Abstract 
 
ii 
Introducción general 1 
 Fijación de nitrógeno 1 
 Fijación de nitrógeno en zonas áridas y semiáridas 5 
 Degradación de suelo 
 
10 
Hipótesis y objetivos 
 
12 
Área de estudio 
 
15 
Literatura citada 
 
26 
Capítulo 1. 
Variación espacio-temporal de nutrimentos del suelo en dos terrazas aluviales en 
Zapotitlán Salinas, Puebla 
30 
 Introducción 30 
 Materiales y métodos 32 
 Resultados 33 
 Discusión 35 
 Figuras 38 
 Literatura citada 
 
43 
Capítulo II. Publicación. 
Fertility islands around Prosopis laevigata and Pachycereus hollianus in the drylands 
of Zapotitlán Salinas, México. 
45 
 Abstract 46 
 Introduction 46 
 Materials and methods 47 
 Results 49 
 Discussion 51 
 References 55 
 
Capítulo III. 
Establecimiento y actividad reductora de acetileno de bacterias fijadoras de 
nitrógeno de vida libre en suelo de Zapotitlán Salinas, Puebla, en condiciones 
experimentales 
 
Introducción 57 
 Materiales y métodos 58 
 Resultados 60 
 Discusión 62 
 Figuras 65 
 Literatura citada 71 
Neevia docConverter 5.1
 
Capítulo IV. 
Secuenciación del gene nifH en una cepa de Microbacterium sp. aislada del suelo de 
la zona semiárida de Zapotitlán Salinas, Puebla. 
74 
 Introducción 74 
 Materiales y métodos 75 
 Resultados 77 
 Discusión 78 
 Literatura citada 81 
 
Discusión general 
 
 
83 
Conclusiones y perspectivas 85 
 
Neevia docConverter 5.1
 
RESUMEN 
 
Los suelos de las zonas áridas y semiáridas se caracterizan por la gran heterogeneidad en la 
distribución de los nutrimentos y el agua. Está última, junto con el nitrógeno, se consideran 
como los principales elementos limitantes de la productividad primaria en estos ecosistemas. Se 
determinó la dinámica poblacional de las bacterias fijadoras de nitrógeno de vida libre en una 
terraza aluvial conservada y una degradada, las cuales están ubicadas en Zapotitlán, Puebla. En 
cada terraza se consideraron tres microambientes, la zona de raíces de Prosopis laevigata 
(leguminosa), Pachycereus hollianus (cactácea) y suelo libre de vegetación. Se determinó el 
contenido de materia orgánica, ortofosfatos, nitratos, amonio, humedad, pH y la actividad de la 
enzima nitrogenasa así como la cantidad de unidades formadoras de colonias (UFC) durante un 
ciclo de lluvia-sequía. También se analizó la capacidad de establecimiento en suelo esterilizado de 
bacterias aisladas en medio de cultivo libre de nitrógeno reducido, las cuales fueron identificadas 
por la secuenciación del 16S rRNA. Se registró una acumulación de compuestos nitrogenados 
(amonio y nitrato) y de ortofosfatos al inicio de la temporada de lluvias. La mayor cantidad de 
UFC se registró en el máximo nivel de humedad del suelo. Se determinó la formación de islas de 
fertilidad por la acumulación de materia orgánica alrededor de Prosopis laevigata sólo en la 
terraza degradada. La reducción de acetileno mostró un patrón indefinido de variación temporal 
en ambas terrazas y entre microambientes. Se aislaron 18 cepas bacterianas de las cuales se 
pudieron identificar a 11 de ellas. 1 cepa pertenece al género Rhizobium, una a Sphingomonas, 
una a Microbacterium, una más al género Gordonia, y el resto al grupo de actinomicetes 
filamentosos del género Streptomyces. Sólo en la cepa de Microbacterium se pudo secuenciar una 
fracción del gene nifH, responsable de la fijación biológica de nitrógeno; aunque todas las cepas 
presentaron características que sugieren su pertenencia al grupo funcional de fijadoras de 
nitrógeno de vida libre, como son el crecimiento en medio de cultivo libre de nitrógeno reducido 
y. la capacidad para reducir acetileno. Todas las cepas aisladas se encontraron presentes en los 
tres microambientes de suelo, aunque con diferente número de UFC. Estas mismas cepas se 
establecieron de manera diferencial en suelo estéril de los tres microambientes, mostrando mayor 
incremento relativo las cepas no filamentosas (Rhizobium, Gordonia, Sphingomonas y 
Microbacterium). Las bacterias fijadoras de nitrógeno de vida libre podrían estar desempañando 
una actividad más importante en la dinámica nutrimental de las zonas áridas y semiáridas que la 
que anteriormente se les había asignado, debido a que pueden estar presentes en microambientes 
 i
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en los cuales los microorganismos fijadores simbióticos no pueden realizar su función, como la 
zona de raíces de cactáceas y el suelo desnudo. Por ello, es importante determinar las condiciones 
en las cuales pueden realizar su actividad fijadora y aportar nitrógeno disponible para la 
vegetación, particularmente en los suelos que ya están degradados, y de esta manera contribuir al 
sostenimiento mínimo de esas especies vegetales, las cuales al aportar materia orgánica al suelo, 
retroalimentan la actividad microbiana. 
 ii
Neevia docConverter 5.1
ABSTRACT 
 The soils of arid and semi-arid areas are characterized by highly heterogeneous 
distribution of nutrients and water. This, along with nitrogen, are seen as major factors limiting 
primary productivity in these ecosystems. It was determined the population dynamics of 
nitrogen-fixing free living bacteria in a terrace alluvial preserved and a degraded, which are 
located in Zapotitlán, Puebla. In each terrace, soil samples were taken from the root zone of 
Prosopis laevigata (legume), Pachycereus hollianus (cactus) and three interspaces (bare soil). It 
was determined the content of organic matter, orthophosphates, nitrate, ammonia, soil 
moisture, pH and activity of the enzymenitrogenasa well as the amount of colony forming units 
(CFU) during a rain-drought cycle. It also assessed the ability of establishment in sterilized soil 
bacteria isolated in the medium without nitrogen, which were identified by sequencing 16S 
rRNA. There was an accumulation of nitrogen compounds (ammonium and nitrate) and 
orthophosphates at the beginning of the rainy season. The largest number of CFU was recorded 
at the highest level of moisture. It was determined the formation of islands of fertility by the 
accumulation of organic matter around Prosopis laevigata only on the terrace degraded. The 
reduction of acetylene showed a pattern indefinite of variation in both terraces temporary and 
between microenvironments. 18 bacterial strains were isolated from which, and we could 
identify 11 of them. One strain belongs to the genus Rhizobium, one to Sphingomonas, one to 
Microbacterium and one more to Gordonia, and the rest of the group of the genus filamentous 
actinomycetes Streptomyces. Only the strain Microbacterium could be a fraction of gene 
sequencing nifH, responsible for biological fixation of nitrogen, although all strains showed 
characteristics that suggest they belong to the functional group of nitrogen-fixing free living, 
such as growth in the medium free nitrogen and the ability to reduce acetylene. All isolates were 
found in the three microenvironment of soil, although with different numbers of CFU. These 
same strains were established so differential in sterile soil of the three microenvironments 
showing greater relative increase that the strains not filamentous (Rhizobium, Gordonia, 
Microbacterium and Sphingomonas). The nitrogen-fixing free living bacteria could be played a 
more important activity in the dynamics of arid and semiarid ecosystems than they were 
previously assigned, because that might be present in microenvironments in which the symbiotic 
fixers not can perform its role as the root zone of cacti and bare soil. It is important to determine 
the conditions under which they can conduct their activity fixing nitrogen and make available 
 iii
Neevia docConverter 5.1
for vegetation, particularly in soils that are already degraded, and thus help support the plant 
species, which contribute to organic matter and more microbial activity. 
 iv
Neevia docConverter 5.1
INTRODUCCIÓN GENERAL 
 
Fijación de nitrógeno 
El nitrógeno (N) o azote, que significa sin vida es el cuarto elemento más común en 
nuestro planeta, después del carbono, el hidrógeno y el oxígeno; y uno de los principales 
constituyentes de moléculas esenciales para la vida como proteínas, ácidos nucleicos y clorofilas 
(Postgate, 1998). El N se mueve entre las formas orgánica e inorgánica a través de procesos 
asociados con la conversión de compuestos nitrogenados (nitratos, amonio, aminoácidos) y de su 
captura por la biomasa vegetal, microbiana e indirectamente, animal; y con su regreso a la 
atmósfera en forma de gas (Chapin et al. 2002). 
La atmósfera es el principal reservorio de N en el planeta. Se calcula que contiene 4 x 1021 
g; en contraste, en los sedimentos hay 5 x 1020 g; en el océano, 2.2 x 1019 g N disuelto y 6 x 1017 g 
N inorgánico; en el suelo 3 x 1017 g; y en la biomasa terrestre (1.3 x 1016 N) (Binkley et al. 2000). 
La molécula de N gaseoso está conformada por dos átomos de N unidos por un triple 
enlace (N•N); pero en esta forma no puede ser utilizado directamente por los sistemas biológicos 
para su crecimiento y reproducción. Antes de su incorporación, se combina con el hidrógeno en 
un proceso denominado fijación de nitrógeno, que es la reducción del N molecular a amonio. La 
fijación puede ser química o biológica (Postgate, 1998). 
En la fijación química, la radiación ultravioleta produce la formación de óxidos de N, 
particularmente en las capas superiores de la atmósfera; mientras que la combustión, 
principalmente de motores de combustión interna y las luces de la ciudad los generan en los 
niveles bajos. Estos gases pueden ser incorporados al suelo por la lluvia o llegar en forma de 
deposición seca, contribuyendo a las entradas de N atmosférico a la superficie del planeta 
(Postgate, 1998). 
La fijación biológica de nitrógeno (FBN) es un proceso mediado exclusivamente por 
organismos procariotes, a través de la actividad de la enzima nitrogenasa. Esta enzima es un 
complejo conformado por dos partes llamadas subunidad I, que tiene a la dinitrogenasa α
2ß2 
(donde α=proteína nifD; ß=proteína nifK) y la subnunidad II, que es la nitrogenasa reductasa 
(proteína nifH). La subunidad α contiene el sitio activo para la reducción de N que típicamente 
incluye un núcleo de molibdeno, el cual en algunos microorganismos puede ser reemplazado por 
fierro o vanadio (Raymond et al. 2004). La nitrogenasa requiere de iones Mg
2
+ para estar activa y 
es inhibida, además del oxígeno, por el ADP (Postage, 1998) y regulada entre otros factores, por 
el N disponible y la humedad (Herman et al. 1993; Rudnick et al. 1997). 
 1
Neevia docConverter 5.1
La reacción principal catalizada por la nitrogenasa es la misma en todos microorganismos 
fijadores: 
 N2 + 8H
+ + 16ATP 2NH3 + H2 + 16ADP 
El proceso requiere de 6 e- provenientes de 12 ATP´s, pero en la reacción se consumen 16 
ATP´s porque la reducción está acompañada de la formación de una molécula de H2, lo cual 
implica el gasto de 2 e- provenientes de 4 ATP´s. 
La FBN es un proceso energéticamente muy costoso. Los datos disponibles para la fijación 
simbiótica la estiman en 22.8 g de glucosa por gramo de N fijado. Esta cantidad incluye el costo 
energético directo de la fijación (12 g glucosa g-1 N) y el costo de construir y mantener los 
nódulos (10.8 g glucosa g-1 N) (Hartley y Schlesinger, 2002). Por ello, se inhibe en presencia de N 
disponible en forma de amonio o nitrato (Postgate, 1998). 
Otros elementos reguladores de la actividad de los microorganismos fijadores incluyen 
mayor cantidad de ciertos elementos, como fósforo, molibdeno y fierro, que son necesarios para 
la actividad y conformación de la nitrogenenasa (Postgate, 1998; Rastetter et al. 2001); y la 
humedad del suelo (en el caso de los fijadores terrestres), debido a que estimula la productividad 
primaria y en consecuencia el aporte del C y de nutrimentos al suelo (Hartley y Schlesinger, 
2002). 
Además de la reducción del N molecular a amonio, la nitrogenasa puede catalizar otras 
reacciones de reducción como H+ a H2, acetileno (C2H2) a etileno (C2H4), azidas (N3
+) a N2 y CN
- a 
CH4 y NH3. El acetileno es un sustrato particularmente importante porque su producto, el etileno, 
puede ser detectado rápidamente por cromatografía de gases. Esta reacción es la base de la 
prueba de reducción de acetileno utilizada para estimar la fijación de N y se puede realizar en 
preparaciones enzimáticas, bacterias vivas, plantas con nódulos o nódulos extirpados, suelo o 
muestras de agua (Postgate, 1998). 
En las Archeas, la capacidad de diazotrofia se encuentra solamente dentro del reino 
Euryarchaeota en las divisiones Methanosarcinales, Methanobacteriales, Halobacteriales y 
Methanococcales; mientras que en Bacteria se presenta en 6 de los más de 50 phyla descritos 
hasta el momento. Éstos son: bacterias verdes del azufre, cianobacterias, Gram positivas de bajo 
y alto contenido de G+C, Spirochaetas, Firmicutes y Proteobacteria. Estos grupos están 
ampliamente distribuidos en diferentes estilos de vida y metabolismos que incluyen aerobios, 
anaerobios, heterótrofos, autótrofos, metanótrofos; de morfología celular individual o en 
filamentos (Lloret y Martínez-Romero, 2005). 
 2
Neevia docConverter 5.1
Por su estilo de vida, los microorganismos diazotrofos se agrupan en fijadores simbióticos 
y de vida libre. La FBN en asociación simbiótica incluye tres grupos de interacciones: a) 
Cianobacterias con líquenes (Lobaria con Nostoc o Calothrix), hepáticas(Marchantia con Nostoc), 
helechos acuáticos (Azolla con Anabaena y Nostoc), cícadas (Macrozamia y Cycas con Nostoc) y 
un género de angiospermas (Gunnera con Nostoc); b) Actinobacterias representadas por el género 
Frankia que forma nódulos con plantas no leguminosas de los géneros Casuarina, Agnus y Myrica, 
entre otros; y c) Alphaproteobacterias llamadas genéricamente rhizobios que forma nódulos en 
muchas especies de leguminosas (Lloret y Martínez-Romero, 2005). En estas interacciones, ni la 
planta ni la bacteria pueden realizar el proceso de manera independiente, y cuando el N ya se 
encuentra en forma de amonio, existe un intercambio de compuestos nitrogenados de los nódulos 
de Frankia y Rhizobium hacia la planta por compuestos carbonados y agua hacia las bacterias del 
nódulo. 
En el segundo grupo, denominado bacterias de vida libre, los microorganismos crecen 
libremente en el suelo y no tienen o no necesariamente tienen una relación simbiótica con las 
plantas para la fijación de N. Por ello, éste proceso se realiza de manera independiente a ellas, lo 
que les permite utilizar el amonio para su propio consumo. Dentro de este grupo se encuentran 
algunas cianobacterias que también pueden formar asociaciones simbióticas con las plantas. 
Con excepción las propias cianobacterias, que son fijadores autótrofos que producen su 
propio carbono orgánico por fotosíntesis; el resto de los microorganismos fijadores de vida libre 
son heterótrofos y requieren de una fuente externa de carbono, la materia orgánica, además de 
condiciones adecuadas de humedad y de tensión de oxígeno (Postgate, 1998; Chapin et al. 2002). 
Otros fijadores heterótrofos de vida libre habitan en la rizosfera o la filosfera y dependen de los 
exudados radicales y de la muerte de las propias raíces como fuente de carbono (Chapin, et al. 
2002). En la Tabla 1 se presentan algunos ejemplos de la variabilidad metabólica de los fijadores 
de vida libre. 
 
 
 
 
 
 
 
 3
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Tabla 1. Tipos de metabolismo en bacterias fijadoras de nitrógeno de vida libre. 
 Géneros representativos 
 
Anaerobios estrictos 
 
Clostridium, Desulfovibrio Methanosarcina, Methanococcus 
 
 
 
 
 
 
 
 
Facultativos 
(Aerobios cuando no fijan) 
Kleibsela, Bacillus, Enterobacter, Citrobacter 
Escherichia, Propionibacterium 
 
Microaerofilos 
(Normalmente aerobios cuando no 
fijan) 
Xantobacter, Thiobacillus, Azospirillum, Aquaspirillum, 
Methylosinus, Burkholderia 
 
Aerobios Azotobacter, Azomonas, Beijerinckia, Derxia 
 
Fotótrofos 
(Anaerobios) 
Chromatium, Chlorobium, Thiopedia, Ectothiospira 
 
Fotótrofos 
(Facultativos) 
Rhodospirillum, Rhodopseudomonas 
 
Fotótrofos 
(Microaerofilos) 
Plectonema, Lyngbya, Oscillatoria, Spirullina
 
Fotótrofos 
(Aerobios) 
Anabaena, Nostoc, Calothrix, Gloeotheca 
Tomado de Postgate, 1998. 
 
 4
Neevia docConverter 5.1
Fijación de nitrógeno de zonas áridas y semiáridas 
 
El N es esencial para la vida, por ello, es de considerable interés conocer sus formas, 
ciclos y reservorios en los diversos ecosistemas del planeta (Graham et al. 2008). Después del 
agua, la baja disponibilidad de este elemento es la principal variable abiótica que limita la 
productividad en los ecosistemas terrestres del mundo, incluyendo las zonas áridas, así como un 
importante determinante de la composición de las comunidades vegetales (Vitousek y Howarth, 
1991, Evans y Ehleringer, 1993). Esta condición se relaciona con la gran demanda de las plantas, 
las bajas entradas en formas inorgánicas, la lenta tasa de recambio en los almacenes orgánicos, y 
las pérdidas gaseosas y a través del fuego, lixiviación y extracción de biomasa (Binkley et al. 
2000, Whitford, 2002). 
Las zonas secas cubren alrededor de una tercera parte de la superficie del planeta; sin 
embargo sus almacenes y procesos relacionados con el N no están completamente entendidos 
(Graham et al. 2008). Se caracterizan por la heterogeneidad en las propiedades microclimáticas y 
fisicoquímicas del suelo, originadas por la propia heterogeneidad en la topografía y en la 
distribución de la vegetación. Esto produce diferentes patrones de descomposición, acumulación 
y mineralización de materia orgánica. Las variables ambientales incluyen la estacionalidad de las 
lluvias y su relación con la temperatura, el viento, la intensidad, duración y frecuencia de las 
tormentas, los patrones microclimáticos diarios, y la extensión de los periodos de sequía entre un 
evento de lluvia y otro (Whitford, 2002). 
Las entradas de agua por precipitación están contrarrestadas por las salidas por 
evaporación y transpiración de las plantas (evapotranspiración). Esto produce un déficit que 
repercute en la productividad vegetal de los sistemas naturales y manejados, con consecuencias 
negativas para los habitantes de estas zonas (Millenium Ecosystem Assessment, 2004). 
La vegetación está dominada por matorrales espinosos y cactáceas, y aún con la baja 
disponibilidad de agua, hay fragmentos con elevada productividad biológica (Whitford, 2002). 
Los suelos son rocosos, de colores claros, someros, pobres en materia orgánica y se desarrollan 
sobre material no consolidado. Tienen un pobre a moderado desarrollo de los perfiles, 
acumulaciones de sales solubles de sílice y de carbonato de calcio en la capa superficial (caliche) y 
están expuestos a eventos extremos, como tormentas fuertes o sequías prolongadas. Su fertilidad 
es variable y por lo regular su productividad está condicionada por su profundidad y 
pedregosidad. Debido a esto, tienen mínima vocación agrícola. 
 5
Neevia docConverter 5.1
Las zonas áridas son ecosistemas muy importantes dentro del ciclo global de N, a pesar 
de su baja productividad general, ya que contribuyen con más de 30% de las emisiones gaseosas 
totales (N
2, N2O, NOx, NH3) provenientes de zonas no perturbadas (Evans y Ehleringer, 1993; 
Schaffer y Evans, 2005). Esto se contrapone con la bajas cantidades de N biológicamente 
disponible en el suelo (amonio y nitrato) y la baja tasa de entrada por fijación biológica y 
deposición atmosférica (Schaffer y Evans, 2005). En estos ecosistemas, la fijación está regulada 
principalmente por la humedad del suelo y la disponibilidad de N, C, y P. Este último puede estar 
no disponible para los organismos debido a que forma complejos que se precipitan en presencia 
de carbonatos y metales bivalentes como el Ca+ y el Mg+ en pH alcalinos (Shaffer y Evans, 2005). 
El estudio del N en las zonas áridas se ha abordado desde diferentes enfoques: cantidades 
de bacterias en la rizosfera de diferentes especies de plantas (Xie y Steinberger, 2002); formación 
de islas de fertilidad (García-Moya y McKell, 1970; Herman et al. 1993, 1994, 1995; Schaeffer y 
Evans, 2005), descripción de la diversidad bacteriana y de genes nifH por herramientas 
moleculares (Dunbar et al. 1999, 2002; Kuske et al. 2002, Yeager et al. 2004) y producción de 
hojarasca en leguminosas fijadoras (Pavón et al. 2005). 
Los estudios de fijación de N están centralizados en la fijación simbiótica y las costras 
microbióticas. Wullstein (1989) y Zahran (1999) señalan que la fijación por Rhizobium-
leguminosas es la principal vía de entrada de N en estos ecosistemas, y que su tasa de fijación es 
mayor en comparación con los fijadores heterótrofos de vida libre y con la simbiosis actinorrízica 
Esta importancia se acrecienta en las zonas dominadas por mesquite (Geesing et al. 2000; 
Golubov et al. 2001), en cuyas raíces se han encontrado nódulos hasta 220 cm de profundidad 
(Jonson y Mayeux, 1990). Otros autores asumen que la fijación simbiótica es efectiva a partir del 
uso de indicadores como el contenido de N en las hojas (Pavón et al. 2005), en el suelo (Perroni-
Ventura, et al. 2006) o ambos (Geesing et al. 2000). 
Desde otro enfoque, Belnap (2002) considera que la fijación de N por costras 
microbióticas es la principal víade ingreso de este elemento a las zonas áridas. Las costras son 
asociaciones de cianobacterias, líquenes, algas verdes y musgos, que pueden crecer sobre el suelo 
o entre las capas superiores del suelo (Belnap y Lange, 2001). Representan una barrera física entre 
éste y la atmósfera, y pueden afectar la tasa de intercambio de materia y energía en el nivel de 
ecosistema, así como la distribución y abundancia de herbáceas, arbustos y árboles (Belnap et al. 
2003). 
 6
Neevia docConverter 5.1
La tasa de fijación varía de manera importante en el tiempo y en los ecosistemas debido a 
los límites que interponen múltiples factores bióticos y abióticos (Vitousek et al. 2002). Esto se 
observa en la cantidad de N fijado por las costras microbióticas de las zonas áridas (Evans y 
Ehleringer, 1993; Belnap, 2002; Hartley y Schlesinger, 2002; Billings et al. 2003; Yeager et al. 
2004) (Tabla 2). Sin embargo, no existen métodos estandarizados para su estimación, por lo que 
se sugiere una posible sobrestimación de sus valores (West et al. 1990). Por ello, Hartlhey y 
Schelesinger (2002) sugieren la realización de más estudios sobre el tema. 
La fijación por bacterias de vida libre ha sido menos estudiada en comparación con 
Rhizobium y las costras microbióticas. Los datos disponibles señalan que en el desierto del Negev 
(Israel) se encuentran en gran cantidad bajo el dosel y en la zona de las raíces, y que en el suelo 
libre de vegetación están en menor cantidad, lo que indica un fuerte efecto de la planta en este 
grupo de bacterias (Xie y Steinberger, 2002). Otro estudio, también en el Negev, determinó que 
las fijadoras heterótrofas cohabitan con cianobacterias formando costras microbióticas, pero 
debido a la baja cantidad de clorofila registrada, se sugiere que la mayor parte del N fijado por las 
costras proviene de la actividad heterótrofa (Zaady et al. 1998). Yeager et al (2004) menciona la 
presencia del gene nifH en alphaproteobacterias de costras microbioticas del desierto 
Chihuahuense, sin reportar valores de la tasa de fijación. No se cuenta con estimaciones 
puntuales en campo sobre la tasa de fijación de nitrógeno heterótrofa. 
La menor cantidad de estudios relacionados con la fijación de vida libre así como la falta 
de consenso sobre su aportación a la dinámica del N, no es exclusiva de las zonas áridas. En 
bosques templados (coníferas, encinos) se reporta un rango de fijación no simbiótica de 0.01 a 12 
kg N ha-1año-1, con una media de 3 kg N ha-1año-1; y se señalan discrepancias en las metodologías 
utilizadas para su estimación. A pesar de la gran cantidad de trabajos realizados sobre el tema, la 
contribución de los fijadores no simbióticos y su importancia absoluta en este tipo de 
ecosistemas no es clara, por lo que se sugiere más investigación más investigación al respecto 
(Son, 2001). Desde otro enfoque, existen reportes sobre métodos moleculares específicos para la 
identificación de fijadores de vida libre en el suelo (Bürgmann et al. 2004) y sobre su diversidad 
en suelos forestales que señalan también la necesidad de profundizar en su investigación (Rösh et 
al. 2002). Esto se hace necesario porque la capacidad fijadora varía ampliamente dependiendo de 
las necesidades específicas de cada grupo de microorganismos, con respecto a la disponibilidad de 
C y N o la presión parcial de oxígeno (Bürgmann et al. 2004). 
 7
Neevia docConverter 5.1
En México, los estudios sobre el N en las zonas áridas se han hecho a partir de la 
actividad reductora de acetileno en bacterias asociadas a raíces de cactáceas, en Mina, Nuevo 
León (Loera et al. 1996); de la influencia de algunas especies vegetales en la cantidad de 
bacterias, hongos y actinomicetes y con el C y N del suelo en Dolores Hidalgo, Guanajuato (Frías-
Hernández, et al. 1998; Reyes-Reyes, et al. 2002); del contenido de N y la producción de 
hojarasca en 17 especies vegetales (Pavón et al. 2005) y de la relación entre la disponibilidad de 
nutrimentos del suelo y la riqueza de especies vegetales (Perroni-Ventura, et al. 2006), ambos en 
Zapotitlán Salinas, Puebla. En ninguno de ellos se estimó la tasa de fijación, ni el tipo de 
microorganismos que la realizan. 
 
Tabla 2. Tasas de fijación de N por asociaciones microbianas en ecosistemas áridos. Se incluyeron dos 
ejemplos de bosques boreales con fines de comparación. 
Microorganismos 
fijadores 
Habitat Tasa de fijación de 
N 
Método utilizado 
para la estimación 
de la FBN 
Referencia 
Ensamblaje epilitico 
(dominado por 
Calothrix). 
Arroyo 
intermitente en el 
N del Desierto de 
Sonora (Arizona, 
EU) 
 
 
42 
mg N m
-2
 d
-1
Actividad 
reductora de 
acetileno 
(Incubaciones in
situ 
 
Grimm y 
Petrone, 1997 
Tapetes de Anabaena Arroyo 
intermitente en el 
N del Desierto de 
Sonora (Arizona, 
EU) 
 
 
144 
mg N m
-2
 d
-1
Actividad 
reductora de 
acetileno 
(Incubaciones in 
situ) 
Grimm y 
Petrone, 1997 
Tapetes de 
cianobacterias 
(Cladophora-
Anabaena-Nostoc) 
Arroyo 
intermitente en 
Desierto de Sonora 
(Arizona, EU) 
 
 
83 
mg N m
-2
 d
-1
Actividad 
reductora de 
acetileno 
(Incubaciones in
situ) 
 
t
 
Grimm y 
Petrone, 1997 
Costras formadas por 
musgos: (Crossidium 
crassinerve y Aloina 
bifrons); 
cianobacterias 
Microcoleus 
vaginatus, Nos oc 
punctiforme, 
Chroococcus sp., y 
Calothrix; y alga 
verde (Palmella)
 
Desierto de Negev, 
Israel 
34 
nmoles N cm
-2
h
-1
Actividad 
reductora de 
acetileno 
(Incubaciones en 
laboratorio) 
Zaady et al. 
1998 
 8
Neevia docConverter 5.1
Tabla 2. Continuación 
Microorganismos 
fijadores 
Habitat Tasa de fijación de 
N 
Método utilizado 
para la estimación 
de la FBN 
Referencia 
Costras 
microbióticas 
formadas por 
bacterias de vida 
libre (Azotobacter), 
cianobacterias de 
vida libre (Nos oc 
commune), y 
cianobacterias en 
simbiosis con 
líquenes (Collera, 
Psora, Peltula y 
Heppia) 
t
 
Las Cruces, 
Desierto 
Chihuahuense, 
Nuevo México, EU 
0.01 
g N ha
-1
Actividad 
reductora de 
acetileno 
(incubaciones en 
laboratorio) 
Hartley y 
Schlesinger, 
2002. 
Costras formadas por 
Microcoleus-
Scytonema-Nostoc-
Collea 
Parque Nacional 
Cañón del 
Colorado, Colorado 
Plateau, Utah, EU 
 
0.8 – 4.4 
kg N ha
-1
 año
-1
Actividad 
reductora de 
acetileno 
(Incubaciones en 
laboratorio) 
Belnap, 2002 
Costras formadas por 
Microcoleus 
 
Parque Nacional 
Cañón del 
Colorado, Colorado 
Plateau, Utah. 
0.1 – 0.7 
kg N ha
-1
 año
-1
 
Actividad 
reductora de 
acetileno 
(Incubaciones en 
laboratorio) 
Belnap, 2002 
 
Rhizobium-
leguminosa 
 
Desierto 
Chihuahuense 
21 
 kg N ha
-1
 año
-1
ND Schlesinger, 
2002 
Carpetas de musgos 
(Pleurozium 
schrebe i) con 
Nostoc 
r
Bosques boreales 
pristinos en Suecia, 
Noruega y 
Finlandia 
 Actividad 
reductora de 
acetileno calibrada 
con 
15
N 
(incubaciones en 
campo) 
De Luca et al. 
2002 
Fijación no 
simbiótica 
Bosques boreales de 
Estados Unidos, 
Alaska, Japón, 
Canadá, y Suiza 
 
0.01 – 12 
kg N ha
-1
año
-1
Actividad 
reductora de 
acetileno 
Son (2001) 
Notas: a) se respetó la escritura de las unidades con las que se expresa la fijación de nitrógeno con el fin 
de expresar la dificultad para su comparación directa. b) aunque todas las referencias señalan la actividad 
reductora de acetileno como método de estimación, algunas incubaciones se realizaron en campo y otras 
en laboratorio. c) ND = datos no disponibles 
 
 9
Neevia docConverter 5.1
Degradación de suelo 
 
La degradación del suelo es un fenómeno muy complejo que representa uno de los 
principales problemas ambientales que enfrenta la humanidad. Se refiere a los procesos inducidos 
por las actividades humanas que provocan la disminución de su productividad biológica y de su 
biodiversidad, así como de la capacidad actual y/o futura para sostener la vida humana y para 
producir bienes y servicios (Oldeman, 1988). Una de las consecuencias más graves de la 
degradacióndel suelo es la disminución de su calidad, entendiéndose ésta como la capacidad de 
un tipo específico de suelo para sostener la productividad vegetal y animal, mantener o mejorar la 
calidad del aire y del agua y sostener la salud humana, todo esto dentro de los límites de un 
ecosistema natural o manejado (Doran y Parkin, 1994). 
A diferencia de la antigua visión que sólo consideraba al suelo como fuente de 
nutrimentos y sostén para las plantas cultivadas, el concepto de calidad de suelo ubica a este 
recurso como el centro de procesos ambientales en todos los niveles. Así, la calidad del suelo 
incluye a) la productividad, que se refiere a la habilidad del suelo para promover la productividad 
del ecosistema o agroecosistema; b) la calidad ambiental, entendida como la capacidad de un 
suelo para atenuar los contaminantes ambientales, los patógenos, y cualquier posible daño hacia 
el exterior del sistema, incluyendo también los servicios ambientales como fijación de N, 
reservorio de C, mantenimiento de la biodiversidad, recarga de acuíferos, etc., y c) la salud, que 
se refiere a la capacidad de un suelo para producir alimentos sanos y nutritivos para todos los 
organismos, incluyendo el humano (Astier et al. 2002) 
En las zonas áridas y semiáridas, la degradación del suelo puede intensificar la limitación 
de N debido a las características propias de sus suelos, al régimen climático, o a su uso en 
actividades pecuarias y agrícolas para las cuales no son aptos (Evans y Ehleringer, 1993; Rapport y 
Whitford, 1999). En este tipo de ecosistemas, en el valle semiárido de Tehuacán-Cuicatlán, se 
encontraron los vestigios más antiguos de domesticación de maíz y calabaza, y actualmente las 
zonas agrícolas de la región, producen cantidades mínimas de fríjol y maíz (McAuliffe, et al. 
2001). Cuando las zonas áridas son utilizadas para la agricultura, la extracción de la biomasa 
producida no se repone por la baja cantidad de raíces de los cultivos anuales lo que contribuye al 
decremento de los almacenes netos de nutrimentos en el suelo (Millenium Ecosystem Assessment, 
2004). 
Las zonas áridas también se han ocupado de manera intensiva para la producción 
comercial de ganado (Evans y Ehleringer, 1993; Rapport y Whitford, 1999, Millenium Ecosystem 
 10
Neevia docConverter 5.1
Assessment, 2004), impactando de manera negativa a los ciclos biogeoquímicos. Se tiene 
evidencia de que la ruptura y disminución de la cobertura de las costras microbióticas producen 
una considerable variación en el contenido de N del suelo y que el suelo libre de vegetación tiene 
significativamente menor cantidad de este elemento que los suelos debajo del dosel (Evans y 
Ehleringer, 1993). Además, debido a la alta tasa de consumo de vegetación por parte del ganado, 
gran parte del C orgánico y del N fijado no regresan a enriquecer el suelo porque se pierden vía 
respiración o denitrificación, o por su extracción en forma de carne, leche y otros productos 
animales (Millenium Ecosystem Assessment, 2004). 
En México, la degradación del suelo por actividades humanas es un problema que afecta a 
45% del territorio nacional. En las zonas secas (zonas muy áridas, áridas, semiáridas y 
subhúmedas secas) este porcentaje se incrementa a 48% del total de la superficie que ocupan, 
debido a su uso intensivo como zonas de pastoreo y agrícolas (SEMARNAT, 2005). Además, están 
sujetas a procesos de degradación natural por agua y viento. Por ello, es necesario realizar 
investigación que permita entender la dinámica de estos ecosistemas con el objeto de prevenir 
y/o recuperar los servicios ambientales que en ellos se desarrollan. 
 11
Neevia docConverter 5.1
HIPÓTESIS Y OBJETIVOS 
 
 En México no se cuenta con estudios que describan la dinámica y composición de las 
comunidades microbianas relacionadas con el ciclo del N en suelos de zonas secas. Estos 
ecosistemas son muy frágiles entre otras razones, por las condiciones climáticas y por la baja 
cantidad de biomasa vegetal que sustentan. La degradación del suelo que afecta el 
establecimiento de las plantas, debe también afectar a los microorganismos, incluyendo a los 
fijadores de vida libre. Estas bacterias podrían tener patrones diferentes dependiendo de la 
especie vegetal con la que tienen contacto, de la disponibilidad estacional de agua, o de los 
factores fisicoquímicos del suelo que habitan. 
 Este trabajo se realizó en el valle semiárido de Zapotitlán Salinas, Puebla, en el marco de 
las siguientes preguntas generales: ¿existe un grupo funcional de bacterias fijadoras de N de vida 
libre, heterótrofas, en el suelo de este zona?, asumiendo que si, ¿es posible aislarlas y mantenerlas 
en un medio de cultivo libre de N reducido?, ¿cómo es su ambiente edáfico?, ¿responden de 
manera diferente a la presencia de especies vegetales distintas o a la ausencia de ellas?, ¿quiénes 
conforman este grupo y cuales son sus características fenotípicas y genotípicas?, ¿cual es su 
respuesta en número y actividad de la enzima nitrogenasa a los cambios estacionales de la zona y 
a la condición de degradación y conservación del suelo?, y ¿pueden establecerse y mantener su 
actividad nitrogenasa en un ambiente edáfico que fue modificado de manera experimental? 
 
Para responder estas preguntas se plantearon los siguientes objetivos: 
 
1) describir la dinámica estacional del fósforo (ortofosfatos) y nitrógeno (amonio, nitrato) 
disponibles, materia orgánica, pH y humedad del suelo de la zona de raíces de Prosopis laevigata 
(leguminosa) y Pachycereus hollianus (cactácea) y del suelo libre de vegetación, en dos sitios con 
diferente nivel de degradación suelo. 
 
2) describir la dinámica poblacional y la actividad reductora de acetileno de bacterias fijadoras de 
N de vida libre en un ciclo de lluvia-sequía y su relación con la materia orgánica y la humedad del 
suelo en dos sitios con diferente nivel de degradación del suelo y tres microambientes inmersos 
en cada uno de ellos: zona de raíces de Prosopis laevigata y P. hollianus y suelo libre de 
vegetación. 
 12
Neevia docConverter 5.1
3) caracterizar por genotipo y fenotipo a las bacterias cultivables, heterótrofas que conforman el 
grupo funcional de fijadoras de N de vida libre aisladas de los tres microambientes de suelo. 
 
4) determinar por incubaciones en laboratorio, la capacidad de establecimiento y de actividad 
reductora de acetileno del grupo funcional de fijadoras de N de vida libre, en suelo estéril de la 
zona de raíces de Prosopis laevigata, P. hollianus y suelo libre de vegetación. 
 
 El trabajo está dividido en cuatro capítulos y una discusión general en la cual se integran 
los principales resultados de cada uno de ellos. La secuencia en la que se presentan los capítulos 
corresponde los objetivos anteriores. 
 
 Los objetivos 1 y 2 se abordaron con un diseño experimental general consistente en la 
selección de tres individuos de dos especies vegetales, una leguminosa (Prosopis laevigata) y una 
cactácea (Pachycereus hollianus), y tres sitios libres de vegetación. Estos tres microambientes se 
ubicaron en una zona degradada (nivel extremo de erosión de suelo y escasa cobertura vegetal) y 
en otra conservada (sin degradación de suelo y cubierta vegetal continua). Se tomaron muestras 
de suelo de los tres individuos de cada microambiente en las dos zonas (degradada y conservada). 
Se realizaron siete muestreos cuya distribución cubría desde el inicio de la temporada de lluvias, 
hasta el siguiente periodo de sequía. Este diseño general permitió describir el ambiente del suelo 
dónde habitan las fijadoras de N de vida libre (Capítulo I) y la dinámica de dichas bacterias en el 
tiempo y en los tres microambientes, así como su relación con la materia orgánica y la humedad 
del suelo (Capítulo II). 
 Los objetivos 3 y 4 se abordaron, en primera instancia, con el aislamiento de bacterias 
heterótrofas en medio de cultivolibre de N reducido. Estas bacterias se aislaron del suelo de los 
tres microambientes, se purificaron y caracterizaron por morfología y tinción de Gram, y se 
identificaron por la amplificación del gene 16S DNA (Capítulo II y III). Después, se inocularon en 
suelo estéril para determinar su capacidad de establecimiento y de actividad reductora de 
acetileno (como medida de la fijación biológica de N). Como parte final de la caracterización, se 
intento amplificar y secuenciar el gene nifH de las bacterias aisladas. En el capítulo IV se 
describen estos resultados. 
 
 
 13
Neevia docConverter 5.1
El diseño experimental y los métodos utilizados en este trabajo están enfocados a las bacterias de 
vida libre, cultivables y heterótrofas; es decir a aquellas que no requieren de la planta para 
realizar su actividad fijadora y que es posible mantener en un medio de cultivo libre de N 
reducido. Por ello, el grupo funcional de fijadores de N al que se hace referencia esta formado 
sólo por bacterias de este tipo. 
 
 14
Neevia docConverter 5.1
ÁREA DE ESTUDIO 
 El Valle de Tehuacán-Cuicatlán es la región desértica más sureña en Norteamérica y se 
encuentra alejada de las otras dos zonas áridas mexicanas, los desiertos Chihuahuense y 
Sonorense, por cientos de kilómetros (Rzedowski, 1978). Es una región semiárida intertropical 
que se forma por efecto de la sombra orográfica de la Sierra Madre Oriental (Pavón et al. 2005, 
UNEP, 2006). 
 El valle de Tehuacán-Cuicatlán fue decretado como reserva de la biosfera en 1998 y 
actualmente es considerado como una de las zonas protegidas más importantes del país debido a 
su alta biodiversidad; por la cual es reconocido como un centro de diversidad y endemismo a nivel 
mundial por la International Union for the Conservation of Nature (IUCN) (Dávila et al. 2002). La 
Reserva de la Biosfera Tehuacán-Cuicatlán se ubica entre los 17º32’10’’ y 18º53’00’’ N y los 
96º01’50’’ y 97º47’50’’ O en los estados de Puebla y Oaxaca, fuera del cinturón de los grandes 
desiertos del mundo (25º a 35º de latitud en ambos hemisferios) (UNEP, 2006). 
 La conformación fisiográfica actual del valle de Tehuacán-Cuicatlán es resultado de una 
compleja historia geológica que incluye eventos de deposición de sedimentos marinos ricos en 
sales durante el Cretácico Inferior; movimientos orogénicos que conformaron las principales 
sierras de la cuenca y que lo aislaron de la cuenca del Balsas, dando origen a un lago endorreico 
en un periodo que va del Cretácico Inferior a finales del Terciario. Sin embargo, el periodo más 
importante es la captación del río Salado y sus tributarios por parte del río Santo Domingo, que 
es un afluente del Papaloapan, a finales del Cuaternario. La unión de estos ríos provocó gran 
cantidad de erosión remontante y heterogeneidad ambiental con formación de zonas de 
deposición de materiales aluviales a lo largo del río Salado, cerros con cimas planas, laderas con 
diferente inclinación, orientación y litología superficial muy variada en la que predominan los 
afloramientos de calizas, areniscas y lutitas, y en menor medida, depósitos de material ígneo 
(Osorio-Beristain et al. 1996; Valiente-Banuet et al. 2000). 
 El valle de Tehuacán-Cuicatlán forma parte de la Provincia fisiográfica Mizteca-
Oaxacaqueña, en la cual existen otros pequeños valles de origen tectónico entre los que destacan 
Cuicatlán, Huajuapan, Tehuacán y Zapotitlán Salinas (Villaseñor et. al. 1990). El presente trabajo 
se realizó el valle de Zapotitlán Salinas, ubicado en la porción occidental de Tehuacán-Cuicatlán, 
al Sureste de Puebla y Noreste de Oaxaca. Limita al este con las Sierras de Atzingo y Miahutepec, 
al norte con los cerros Chacateca y Pajarito, al oeste con los cerros Gordo y Otate, y al sur con los 
cerros Yistepec y Acatepec. El valle de Zapotitlán tiene una superficie aproximada de 270 km2, y 
 15
Neevia docConverter 5.1
se ubica entre los 18º12’ y 18º24’ N y 97º24’ y 97º36’ O; con un rango altitudinal de 1460 a 2600 
msnm (López-Galindo et al. 2003 y referencias citadas) (Figura 1). 
DF
5 0 5 km
 
Figura 1. Ubicación geográfica del valle de Zapotitlán Salinas, Puebla. 
 
 El clima de Zapotitlán Salinas está determinado por la Sierra de Zongolica, que detiene 
los vientos húmedos provenientes del Golfo de México, formando una sombra de lluvia sobre el 
valle (Osorio-Beristaín et al. 1996). Con base en la clasificación de Köppen modificada por García 
(1988) es seco semicálido con lluvias de verano (BSohw), con canícula a mitad del periodo de 
lluvias y precipitación media anual de 412.4 mm. Existe poca oscilación térmica con un rango 
entre los 17.6 y 23.7ºC. El mes más caliente se presenta antes del solsticio de verano (López-
Galindo et al. 2003). 
 Por su hidrología, Zapotitlán pertenece en su mayor parte a la cuenca alta del río 
Papaloapan y en menor proporción, a la cuenca del Balsas. Además, la cuenca de Zapotitlán está 
dividida naturalmente en dos subcuencas: Santa Ana y Zapotitlán (López Galindo et al. 2003). 
Tiene numerosos arroyos intermitentes que corren en varias direcciones, concentrándose en un 
arroyo principal al centro-este llamado Agua El Gavilán, que es el principal afluente del río 
Zapotitlán. Debido a que éste río arrastra una gran cantidad de sales de sodio provenientes de las 
depresiones de Zapotitlán, cuando se une al río Tehuacán forman el río Salado, uno de los 
principales afluentes del Papaloapan en esta región. En el extremo Sur-Oeste destacan los arroyos 
Las Manzanas y Acatepec, afluentes del Acatlán, el cual ya pertenece a la cuenca del Balsas 
(www.puebla.gob.mx). 
 16
Neevia docConverter 5.1
http://www.puebla.gob.mx/
 En el valle de Zapotitlán Salinas la vegetación dominante es matorral crasicaule y 
desértico rosetófilo, generalmente asociados con cardonales, y ocasionalmente con vegetación 
secundaria arbustiva. Se han identificado siete tipos de comunidades vegetales: matorral 
espinoso, tetecheras, selva baja espinosa perennifolia, tetechera-cardonal, cardonal de 
Stenocereus stellatus, cardonal de Cephalocereus columnatrajani y selva baja caducifolia. En estas 
comunidades se encontraron 184 especies, 130 géneros y 50 familias de las cuales, las Cactaceae 
(21 especies), Leguminosae (19 especies), Asteraceae (16 especies), Euphorbiaceae (13 especies) y 
Poaceae (12 especies) se encuentran entre las más representativas (Osorio-Beristain et al. 1996). 
 Los suelos del valle de Zapotitlán Salinas son someros y pedregosos en la mayor parte del 
área, con diferentes niveles de alcalinidad y salinidad, dependiendo de los sustratos geológicos 
(López-Galindo et al. 2003). Los principales grupos son Leptosoles y Regosoles. Los Leptosoles son 
delgados, pedregosos, con limitada vocación agrícola porque la gran el material calcáreo que 
contienen inmoviliza los nutrimentos minerales. b) Los Regosoles son suelos delgados que se 
encuentran sobre material no consolidado. Se caracterizan por tener una capa superficial 
conocida como ócrica, que cuando se retira la vegetación se vuelve dura y costrosa, impidiendo la 
penetración de agua hacia el subsuelo, lo que se vuelve un factor adverso para el establecimiento 
de las plantas. Esta combinación (baja cubierta vegetal y dificultad de penetración del agua al 
suelo) favorece la escorrentía superficial y con ello, la erosión. 
 En el municipio de Zapotitlán, 28% (12,203 ha) de su superficie presenta degradación de 
gsuelos causada por el hombre, el resto (78%; 31,459 ha) se considera como tierras sin uso con 
influencia humana ubicadas principalmente en cerros y montañas y sujetas a procesos de 
degradación natural (SEMARNAT-COLPOS, 2003). 
 La degradación del suelo en el municipio de Zapotitlán se puede describir por tres 
aspectos: causas, tipos y niveles de afectación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 17
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a) Causas 
 La degradacióndel suelo es originada a) sobrepatoreo, que tiene efectos en la 
compactación del suelo por el pisoteo y en la disminución de la cubierta vegetal por la 
alimentación del ganado. Estos elementos están asociados con la erosión eólica e hídrica. b) 
actividades agrícolas mal desarrolladas que tienen como consecuencia la erosión hídrica y eólica, 
y la degradación química por la pérdida de nutrimentos, y c) por el uso de suelo en actividades no 
biológicas como minas, aguas residuales, canteras, basureros y actividades industriales en general 
(Tabla 3; Figura 2). 
 
 
Tabla 3. Causas de la degradación del suelo causada por el hombre en Zapotitlán Salinas, Puebla. 
Causas de degradación Superficie Afectada 
 Ha % 
Sobrepastoreo 5161 11.8 
Agricultura 3602 8.2 
Agricultura y sobrepastoreo 3191 7.3 
Actividades no-biológicas 249 0.6 
Total 12203 28 
Nota: todos los porcentajes se obtuvieron con respecto a la superficie 
total de municipio de Zapotitlán (43 662 ha) 
Fuente: Elaboración propia con datos de SEMARNAT-COLPOS, 2003 . 
 
 
 
b) Tipos de degradación 
 En el suelo degradado, el tipo de degradación dominante es la erosión eólica con 
disminución del horizonte superficial del suelo por la remoción uniforme de las partículas. Le 
sigue la degradación química, en la cual hay un decremento neto de la cantidad de nutrimentos y 
materia orgánica del suelo, lo que origina la pérdida de la productividad biológica. En tercer lugar 
se encuentra la erosión hídrica superficial que con escorrentías arrastra los materiales del 
horizonte superficial; y la erosión hídrica con deformación del terreno, en la que hay remoción 
irregular o el movimiento en masa de los materiales, mostrando la formación de canales y 
cárcavas. Finalmente, la degradación física por uso no biológico del suelo (Tabla 4, Figura 3). 
 
 
 
 18
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Tabla 4. Tipos de degradación del suelo causada por el hombre en el municipio de Zapotitlán Salinas, 
Puebla. 
Tipos de degradación Superficie afectada 
 Ha % 
Erosión eólica con pérdida superficial de suelo 6279 14.4 
Degradación química por pérdida de la fertilidad 2565 5.9 
Erosión hídrica con pérdida de suelo superficial 2074 4.7 
Erosión hídrica deformación de terreno (canales y cárcavas) 1036 2.4 
Degradación física por uso no biológico del suelo 249 0.6 
Total 12203 28 
Nota: todos los porcentajes se obtuvieron con respecto a la superficie total de municipio de Zapotitlán 
(43 662 ha). 
Fuente: Elaboración propia con datos de SEMARNAT-COLPOS, 2003. 
 
 
c) Nivel de afectación. Depende de las consecuencias en la productividad de los sistemas 
locales de uso forestal, pecuario y agrícola. En Zapotitlán se encuentran tres niveles: 1) Ligero: 
la reducción en la productividad es apenas perceptible; 2) Moderado: los terrenos presentan 
una marcada reducción en su productividad; 3) Extremo: la productividad del suelo es 
irrecuperable y su restauración es materialmente imposible (Tabla 5; Figura 4). 
 
 
 
Tabla 5. Niveles de degradación del suelo causada por el hombre en el municipio de Zapotitlán Salinas, 
Puebla. 
Nivel de 
degradación 
Tipo de degradación Superficie afectada 
 Ha % 
Degradación química por pérdida de la fertilidad 2565 5.9 
Erosión hídrica con pérdida de suelo superficial 2073.6 4.8 
Ligero 
Erosión eólica con pérdida de suelo superficial 1673.7 3.8 
Erosión eólica con pérdida de suelo superficial 4605 10.6 Moderado 
Erosión hídrica con deformación de terreno 1037 2.4 
Extremo Degradación física por uso no biológico 249 ha 0.6 
 
Total 
 12203 28 
Nota: todos los porcentajes se obtuvieron con respecto a la superficie total de municipio de Zapotitlán 
(43 662 ha) 
Fuente: Elaboración propia con datos de SEMARNAT-COLPOS, 2003. 
 
 
 
 
 19
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Figura 2. Causas de la degradación del suelo causada
 por el hombre en el municipio de Zapotitlán Salinas
 Terraza 
conservada
 Terraza 
degradadaZapotitlán Salinas
Los Reyes Metzontla
Xochiltepec
0 2.5 5 7.5 101.25
Kilómetros
Colonia San Martín
Ríos
Límite del valle de
 Zapotitlán-Salinas
 Localidades
Límite del municipio de
 Zapotitlán Salinas
 100%
65%
70%
80%
90%
Ganadería -70%
Ganadería y agricutura - 90%
% de tierras sin uso 
con influencia humana
Fuente:
Semarnat-Colpos, 2003 e INEGI, 2005. 
 
 
 
Ríos
Límite del valle de
 Zapotitlán-Salinas
 Localidades
Figura 3. Tipos de degradación del suelo causada por el hombre 
 en el municipio de Zapotitlán Salinas 
0 2.5 5 7.5 101.25
Km
Es = Erosión eólica con pérdida de suelo superficial
Fu = Degradación física por uso no biológico del suelo
Qd = Degradación química por pérdida de fertilidad
Hs = Erosión hídrica con pérdida de suelo superficial
Hc = Erosión con deformación de terreno (canales y cárcavas)
Num = Tierras sin uso con influencia humana
hídrica
Es, Fu, NUm
Es, NUm, 
NUm, , 
NUm, Es, 
NUm, Es, Qd
NUm, Hs, Hc
NUm, Qd, 
NUm, Qd, Es
Es
NUm
NUmNUm
NUm
NUm
NUmNUm
NUm
NUm
NUm
NUm
Es
NUm
NUm
NUm
NUm
NUm
NUm
Zapotitlán Salinas
Los ReyesMentzontla
 Terraza 
degradada
 Terraza 
conservada
Xochiltepec 
Colonia San Martín
Límite del municipio de
 Zapotitlán Salinas
Fuente :
Semarnat-Colpos, 2003 e INEGI, 2005. 
 
 
 
 20
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 Figura 4. Niveles de degradación del suelo causada por el hombre 
 en el municipio de Zapotitlán Salinas
Zapotitlán Salinas
Los Reyes Metzontla
10
Kilómetros
0 2.5 5 7.51.25
 Terraza
 degradada
 Terraza
 conservada
Xochiltepec 
Colonia San Martín
 Nivel ligero o tierras sin uso 
sujetas a degradacion natural 
Nivel moderado y extremo
 Localidades
Ríos
Límite del valle de
 Zapotitlán-Salinas
Límite del municipio de
 Zapotitlán Salinas
Fuente:
Semarnat-Colpos, 2003 e INEGI, 2005. 
 
 De la descripción anterior en el nivel municipal sobre la degradación del suelo, se 
desprende que específicamente en el valle de Zapotitlán, la degradación causada por el hombre 
tiene su origen en las actividades agrícolas y pecuarias, que el tipo de degradación dominante es 
la eólica y la física, que también existen tierras sin uso sujetas a procesos de degradación natural, 
y que los niveles de degradación se encuentran entre ligero y extremo (Figuras 2, 3 y 4). 
 El valle de Zapotitlán Salinas es una de las regiones de depósito de material aluvial 
partículado, el cual se acumuló en las orillas del río Zapotitlán y formó unidades fisiográficas 
denominadas terrazas aluviales. Las terrazas ocupan diferente superficie y muestran diferente 
nivel de deterioro ambiental que va desde zonas conservadas sin signos evidentes de degradación 
de suelo y de extracción y manejo de la vegetación, hasta sitios con suelos erosionados y con 
vegetación distribuida en fragmentos aislados (López-Galindo, et al. 2003). 
 En este trabajo se seleccionaron dos terrazas aluviales. La primer terraza, denominada 
degradada; se encuentra cerca de la localidad de Zapotitlán. La segunda terraza, denominada 
conservada se encuentra cerca de la localidad Los Reyes Metzontla. Esta categorización fue hecha 
por López-Galindo et al. (2003) con base en la cobertura vegetal y en el estado de degradación del 
suelo (López-Galindo, et al. 2003). En ninguna de estas terrazas, específicamente en los sitios 
 21
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donde se tomaron las muestras de suelo, se han realizado prácticas agrícolas; sin embargo, los 
pobladores tienen la libertad de utilizarlas como zonas de pastoreo para ganado caprino. 
 La terraza degradada forma parte de una región geomorfológica conocida como tierras 
malas (badlands). Estas zonas se definieron originalmente como sitios extremadamente 
diseccionados en dónde era muy difícil transitar a caballo y que no se podían usar con fines 
agrícolas. Actualmente se les considera sitios con escasa cobertura vegetal y con una gran 
proporción de suelo severamentedegradado y expuesto a los agentes erosivos (viento y agua). Se 
caracterizan por la formación de canales y cárcavas que incrementan el movimiento en masa y los 
procesos de arrastre del suelo durante las tormentas. El efecto combinado del clima y el uso del 
suelo impiden la recuperación de su fertilidad e incrementan su erosión (Torri y Rodolfi, 2000; 
Nogueras et al. 2000). 
 La mayor parte del deterioro del suelo en la terraza degradada (18º19’ N y 97º27’ O; 1495 
msnm) tuvo su origen en los eventos de erosión remontante que se dieron por la unión de los ríos 
Salado y sus tributarios (uno de los cuales es el río Zapotitlán) con el Santo Domingo, a finales 
del Cuaternario (Osorio-Beristain et al. 1996). Sin embargo, en los alrededores de la terraza se han 
encontrado evidencias de erosión de suelo causada por las actividades agrícolas que se han 
practicado desde la época precolombina (McAuliffe et al. 2001). 
 Aunque no se cuenta con datos sobre las causas, tipos y niveles de degradación 
específicamente para las terrazas (ver figuras 2, 3 y 4), en la degradada existen signos evidentes 
que indican niveles severos y extremos de deterioro, como la distribución fragmentada de la 
vegetación, en la cual los fragmentos formados incluso por un solo individuo están rodeados por 
cárcavas o suelo desprovisto de vegetación, haciéndola más susceptible a la erosión eólica e 
hídrica. Además, el suelo muestra degradación física por compactación lo cual dificulta la 
infiltración del agua, y promueve las escorrentías superficiales y con ello el movimiento en masa 
con la formación de nuevos canales. En el suelo desprovisto de cobertura vegetal no existe un 
horizonte orgánico; y en los fragmentos de vegetación es apenas perceptible y sujeto a los 
agentes erosivos por la falta de protección que brinda la cubierta vegetal densa. La textura del 
suelo es franco-arcillosa (Figura 5). 
 
 
 
 
 22
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a
b
c
Cárcavas
Terraza degradada
 
Figura 5. Panorámica de la terraza degradada. La distribución de la vegetación es en fragmentos. 
No hay formación de horizonte orgánico ni acumulación de hojarasca en el suelo expuesto. a) 
Zona de cárcavas en temporada de sequía, b) Zona de cárcavas con cultivos en temporada de 
lluvias; c) Acercamiento de la zona de muestreo durante la temporada de sequía. 
 23
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 La segunda terraza se denominó conservada (18º18’ N y 97º 29’ O; 1560 msnm) porque en 
la mayoría de su superficie los terrenos son estables con cobertura vegetal natural permanente 
(López-Galindo et al. 2003). Existe un horizonte superficial delgado (4 mm aprox) con 
acumulación de hojarasca. La textura del suelo es franco-arenosa. La cubierta vegetal es continua 
y está dominada por leguminosas arbustivas o arbóreas que raramente exceden los 3 metros de 
altura y por cactáceas columnares, y diversas herbáceas. El suelo es profundo y pedregoso con 
textura areno-limosa y no se observan signos evidentes de erosión ni de formación de canales o 
cárcavas. 
 El riesgo de degradación del suelo y de la vegetación en esta terraza puede ser muy alto, 
ya que por sus características, algunas partes contiguas a la zona de muestreo ya están siendo 
transformadas en tierras de cultivo de temporal por la población local. Esto, sumado a las 
condiciones climáticas, hidrológicas y edáficas, y los altos niveles de pobreza y marginación de las 
poblaciones humanas asentadas en el área, (que obligan al uso intensivo de suelos no aptos para 
actividades agrícolas o a la extracción de madera en pie o leña), podría acelerar el proceso de 
degradación natural del suelo con la consecuente alteración del funcionamiento de este 
ecosistema semiárido y quizá la formación de paisajes fragmentados similares a la terraza 
degradada (Figura 6). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 24
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(A)
a
b
c
Terraza conservada
 
Figura 6. Panorámica de la terraza conservada. La distribución de la vegetación es continua. Hay 
acumulación de hojarasca en toda la superficie del suelo. a) Temporada de lluvia. b) Temporada 
de sequía.; c) Acercamiento a la zona de muestreo durante la temporada de lluvias. 
 25
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LITERATURA CITADA 
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 29
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CAPÍTULO I 
 
VARIACIÓN ESPACIO-TEMPORAL DE NUTRIMENTOS DEL SUELO EN DOS 
TERRAZAS ALUVIALES EN ZAPOTITLÁN SALINAS, PUEBLA 
 
INTRODUCCIÓN 
Los suelos de las zonas áridas y semiáridas presentan una gran heterogeneidad temporal y 
espacial en la distribución de los nutrimentos y del agua (Xie y Steinberger, 2001) debido entre 
otros factores a la microtopografía del terreno y a la distribución de la cobertura